Modellierung der Werkzeugabdrängung beim Reiben – Ableitung von Empfehlungen für die Gestaltung von Mehrschneidenreibahlen

Im Zuge der Vereinbarungen zur Senkung des CO2-Ausstoßes sind die Ventilführungen im Zylinderkopf eines Verbrennungskraftmotors durch das so genannte „Downsizing“ erhöhten mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Um die Funktionsfähigkeit der Motoren auch unter den veränderten Radbedingungen zu gewährleisten, werden konventionelle Ventilführungswerkstoffe durch verschleiß- und temperaturbeständigere Sinterwerkstoffe ersetzt. Die erhöhten Prozesskräfte bei der Reibbearbeitung der Sinterführungen führen jedoch zu einer signifikanten Verschlechterung der Geradheit der geriebenen Bohrung. Aus diesem Grund werden in der automobilen Serienfertigung für die prozesssichere Einhaltung der Toleranzen mehrere Bearbeitungsschritte benötigt. Vor dem Hintergrund sinkender Taktzeiten durch weltweit ansteigende Absatzzahlen rückt daher die Mehrschneidenreibahle in den Fokus der Anwender und Werkzeughersteller, um den mehrstufigen Prozess durch einen einzelnen Bearbeitungsschritt zu substituieren.

Das Kernziel der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Analyse und Verbesserung der Geradheit einer geriebenen Bohrung beim Einsatz von Mehrschneidenreibahlen ohne vorgelagerte Bearbeitungsschritte. Um die Zielsetzung zu realisieren, wird in einem ersten Schritt ein Simulationsmodell zur Vorhersage der Werkzeugabdrängung implementiert und anhand experimenteller Untersuchungen verifiziert. Mit Hilfe des Modells wird die Geometrie der Hauptschneiden sowie deren Anordnung am Umfang in Abhängigkeit auftretender Störgrößen (wie z.B. einem Versatz zwischen der Achse der Ventilführung und der Achse der Motorspindel) variiert und im Hinblick auf die Werkzeugabdrängung bewertet. Das implementierte Modell verfolgt dabei das Ziel, die an der Werkzeugspitze angreifenden Zerspankräfte zu reduzieren. Vor dem Hintergrund einer ganzheitlichen Verbesserung der Werkzeugabdrängung werden in einem zweiten Schritt die Führungsfunktionen der Nebenschneiden untersucht. Zu diesem Zweck werden die Wirkflächenpaare zwischen Werkzeug und umgebender Bohrungswand durch eine Veränderung der Verjüngung und Breite der Rundschlifffasen systematisch variiert. Die Auswirkung der Geometrieelemente auf die Geradheit geriebener Bohrungen erfolgt dabei mittels experimenteller Untersuchungen.

Die vorliegende Arbeit leistet daher einen entscheidenden Beitrag, die Abdrängung von Mehrschneidenreibahlen vorherzusagen und Empfehlungen für die Gestaltung neuer Reibwerkzeuge daraus abzuleiten. Dadurch wird ein Grundverständnis für die Auswirkung relevanter Geometrieelemente und Störgrößen beim Reiben mit mehrschneidigen Werkzeugen geschaffen und für den Werkzeughersteller sowie Anwender zugänglich gemacht.